A Carga É Quantizada

Depois de ler este módulo, você será capaz de ...

21.19 Saber qual é a carga elementar.

21.20 Saber que a carga de uma partícula ou objeto é igual a um número inteiro positivo ou negativo

multiplicado pela carga elementar.

Ideias-Chave

• A carga elétrica é quantizada (pode ter apenas certos valores). • A carga de qualquer partícula ou objeto é da forma ne, em que n é um número inteiro positivo ou negativo e e é a carga elementar, que é o valor absoluto da carga do elétron e do próton (≈ 1,602 × 10–19 C).

A Carga É Quantizada

Na época de Benjamin Franklin, a carga elétrica era considerada um fluido contínuo, uma ideia que foi útil para muitos propósitos. Hoje, porém, sabemos que, mesmo os fluidos “clássicos”, como a água e o ar, não são contínuos e sim compostos de átomos e moléculas; a matéria é quantizada. Os experimentos revelam que o “fluido elétrico” também não é contínuo e sim composto de unidades elementares de carga. Todas as cargas positivas e negativas q são da forma

em que e, a carga elementar, tem o valor aproximado

A carga elementar e é uma das constantes mais importantes da natureza. Tanto o elétron como o próton possuem uma carga cujo valor absoluto é e

(Tabela 21-1). (Os quarks, partículas elementares das quais são feitos os prótons e nêutrons, têm cargas de ±e/3 e ±2e/3, mas existem fortes indícios de que não podem ser observados isoladamente. Por esse motivo e por questões históricas, a carga elementar não é tomada como e/3.)

Tabela 21-1 As Cargas de Três Partículas

Partícula Símbolo Carga

Elétron e ou e– –e

Próton p +e

Nêutron n 0

Algumas expressões de uso corrente, como “a carga contida em uma esfera”, “a quantidade de carga que foi transferida” e “a carga que um elétron possui”, podem dar a impressão de que a carga é uma substância. Na verdade, a carga não é uma substância e sim uma propriedade das partículas, como a massa, por exemplo.

Quando uma grandeza física pode assumir apenas certos valores, dizemos que é quantizada; a carga elétrica é uma dessas grandezas. É possível encontrar uma partícula sem carga elétrica ou com uma carga de +10e ou –6e, mas não uma partícula com uma carga de 3,57e.

O quantum de carga é extremamente pequeno. Em uma lâmpada incandescente de 100 W, por exemplo, cerca de 1019 cargas elementares passam pelo filamento por segundo. Entretanto, a natureza discreta da eletricidade não se manifesta em muitos fenômenos (a luz da lâmpada não pisca toda vez que um elétron passa pelo filamento).

Teste 4

Inicialmente, a esfera A possui uma carga de –50e e a esfera B uma

carga de +20e. As esferas são feitas de um material condutor e têm o

mesmo tamanho. Se as esferas são colocadas em contato, qual é o

novo valor da carga da esfera A?

Exemplo 21.04 Repulsão entre as partículas

de um núcleo atômico

O núcleo de um átomo de ferro tem um raio de 4,0 × 10–15 m e contém

26 prótons.

(a) Qual é o módulo da força de repulsão eletrostática entre dois

prótons do núcleo de ferro separados por uma distância de 4,0 × 10–15

m?

IDEIA-CHAVE

Como os prótons são partículas com carga elétrica, o módulo da força

eletrostática entre dois prótons é dado pela lei de Coulomb.

Cálculo: De acordo com a Tabela 21-1, a carga elétrica do próton é

+e; assim, de acordo com a Eq. 21-4,

Não há uma explosão: Essa força poderia ser considerada pequena

se agisse sobre um objeto macroscópico como uma melancia, mas é

gigantesca quando aplicada a uma partícula do tamanho de um próton.

Forças dessa ordem deveriam fazer com que os núcleos de todos os

elementos se desintegrassem (a não ser o do hidrogênio, que possui

apenas um próton). O fato de existirem núcleos atômicos estáveis com

mais de um próton sugere a existência, no interior do núcleo, de uma

força de atração muito intensa, capaz de compensar a repulsão

eletrostática.

(b) Qual é o módulo da força de atração gravitacional entre os mesmos

dois prótons?

IDEIA-CHAVE

Como os prótons são partículas com massa, o módulo da força

gravitacional entre dois prótons é dado pela lei de Newton para a 21.22 Conhecer os processos de aniquilação e produção de partículas.